工业锅炉控制系统设计.

工业锅炉控制方案设计

学生学号：学生姓名： 曹新龙

专业班级： 自动化12102班

指导老师： 赵莹萍

目 录

引言 . .......................................................... 4

1文献综述 ..................................................... 5

1.1锅炉的基本构造 .......................................... 5

1.2锅炉的工作原理及过程 ..................................... 6

1.2.1燃料的燃烧过程 ..................................... 7

1.2.2水的汽化过程 ....................................... 7

1.2.3烟气向水的传热过程 ................................. 7

2总体方案设计 ................................................. 9

2.1蒸汽温度控制系统 ........................................ 9

2.2蒸汽压力控制系统 ........................................ 9

2.3汽包液位控制系统 ....................................... 10

2.4炉膛负压控制系统 ....................................... 11

2.5报警系统 ............................................... 11

3具体方案实施 ................................................ 13

3.1控制系统的硬件选型 ..................................... 13

3.1.1传感器的选型 ...................................... 13

3.1.2变送器 ............................................ 14

3.1.3常规控制器的控制规律及其选择 ...................... 14

3.1.4变频器 ............................................ 14

3.1.5测速发电机 ........................................ 15

3.1.6计算机控制模块 .................................... 15

3.1.7控制系统具体选型 .................................. 15

具体选型见表3.1和表3.2所示。 .......................... 15

3.2硬件组成 ............................................... 20

3.3软件组成 ............................................... 21

3.4控制台 ................................................. 21

参考文献 . ..................................................... 23

引 言

锅炉是国民经济中主要的供热设备之一。电力, 机械，冶金，化工，纺织，造纸，食品等工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。各种工业的生产性质与规模不同，工业和民用采暖的规模大小也不一样，因此所需的锅炉容量，蒸汽参数，结构，性能方面也不尽相同。锅炉是供热之源，锅炉机器设备的任务在于安全，可靠，有效地把燃料的化学能转化成热能，进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽。为了提高热量及效率，锅炉向着高压，高温和大容量等方向发展。供热锅炉，除了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水不需要过高温的压力和温度，容量也无需很大。

随着生产的发展，锅炉日益广泛的应用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需求是非常大的，然而我国的能源利用率极低，所以提高锅炉的热效率，具有极为重要的实际意义。此外，锅炉是否能应地制宜地有效地燃用地方燃料，并满足环境保护的各项要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等课题。 锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。工业锅炉数量大、分布广，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。因此, 提高热效率，提高自动化水平及防止环境污染, 降低耗煤量与耗电量，均是设计工业锅炉需考虑的重要因素。用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。

本课题的主要方向就是采用过程控制对工业锅炉进行控制，采用先进的控制算法，以达到优化技术指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力的作用。

1 文献综述

在各种工业企业的动力设备中，锅炉是重要的组成部分, 所以锅炉的性能至关重要。要设计一套完整的、性能良好的工业燃烧锅炉，首先就必须了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。

1.1 锅炉的基本构造

锅炉是一种产生蒸汽或热水的热交换设备。它通过燃料的燃烧释放大量热能，并通过热传递把能量传递给水，把水变成蒸汽或热水，蒸汽或热水直接供给工业和生活中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。图1.1为简单锅炉的大体组成部分。

锅炉的主要设备包括气锅、炉子、炉膛、锅筒、水冷壁、过热器、省煤器、燃烧设备、引风设备、送风设备、给水设备、空气预热器、水处理设备、燃料供给设备以及除灰除尘设备等。

气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。

炉子：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。

炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。 锅筒：使自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（须指出，直流锅炉内无锅筒。）

水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。

过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。

省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气包的给水温度，减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了汽包的使用寿命。

燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。

引风设备：包括引风机、烟道和烟囱等几部分。用它将锅炉中的烟气连

续排出。

送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。 给水设备：由水泵和给水管组成。

空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气，是一个换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。

水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。

燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料供应。

除灰除尘设备：是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。

此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀、水位表、高低水位报警器、压力表、主气阀、排污阀和止污阀等，还有用来消除受热面上积灰的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性，本设计由于篇幅其间，则就不必考虑这些问题了。

锅炉引风机

图1.1 锅炉控制系统硬件组成图

1.2 锅炉的工作原理及过程

锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤 油或燃气等燃料的燃烧释放出化学能，并通过传热过程将能量传递给水，使水转变为蒸汽，蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通过蒸汽动力机 能转变为机 能，或通过汽轮发电机转变为电能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。

锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程 、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。

1.2.1 燃料的燃烧过程

首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，炉排接电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。

1.2.2 水的汽化过程

水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒，形成了锅水的自然循环。

蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，使汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。

1.2.3 烟气向水的传热过程

由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热，将热量传给管内工质水。继而烟气受引风机和烟囱的引力而向炉膛上方流动。烟气从炉膛出口掠过防渣管后，就冲刷蒸汽过热器——一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S ”型曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途逐渐降低温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热器内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热器和空气预热器一样，都设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。

以上就是一般锅炉工水的过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：

(1)要是锅炉出口蒸汽压力稳定。

(2)保证燃烧过程的经济性。

(3)保持锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（-10～80Pa ）。

为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量，引风量。从而使锅炉能正常运行。

1.3难点分析

由于调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，虽然锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性，但是在负荷(蒸气流量) 急剧增加时，表现却类似逆响应特性，即所谓的虚假水位。造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双冲量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。

2 总体方案设计

锅炉系统是一个复杂的多变量耦合系统。根据主控变量可将锅炉系统分为蒸汽温度控制系统、蒸汽压力控制系统、汽包液位控制系统以及炉膛负压控制系统。下面分别对这几个子系统的设计进行详细的介绍。

2.1 蒸汽温度控制系统

因为锅炉的运行环境不可能是理想的状态，蒸汽的温度总是会受到某些干扰的影响，所以必学对蒸汽的温度加以控制，以在一定范围内得到温度相对恒定的蒸汽。影响蒸汽温度的主要因素是给煤量以及空煤比，所以我们采用了串级比值控制系统分别控制给煤量以及给风量。另外，影响蒸汽温度的因素还有给水量、蒸发量以及引风量等，又考虑到了控制系统相应的快速性，我们又将给水量和蒸发量作为蒸汽温度控制的前馈量构成前馈控制系统。即采用前馈比值串级控制系统对蒸汽温度进行控制，其控制系统的结构框图见图2.1所示。

图2.1 蒸汽温度控制系统结构框图

2.2 蒸汽压力控制系统

如果过来内压力过低，将会降低蒸汽质量；反之，如果锅炉内压力过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生。所以必须保证锅炉的压力处于一个适中的范围内，即必须对锅炉压力加以控制。上述蒸汽温度控制系统在控制

蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压力，在次不详加介绍。

压力控制系统分为安全压力控制系统和超压控制系统。安全压力控制系统是锅炉压力在安全压力范围之内的控制系统，其主要完成的功能是在安全的基础上对压力进行调节，使压力维持在一定的范围内，以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是当压力超出某以压力上限的设定值时，迅速打开安全阀，使压力迅速降低，直到降到安全范围内后又迅速关闭安全阀。其中安全压力控制系统采用串级控制，而超压控制系统采用单回路控制，所以蒸汽压力控制系统是一个综合的控制系统，从某种意义上讲，可以将其归入分程控制系统一类，其结构框图见图2.2所示。

图2.2 蒸汽压力控制系统结构框图

2.3 汽包液位控制系统

如果汽包液位过高，可能会影响蒸汽质量，甚至会导致水满溢出等安全事故；反之，如果汽包液位过低，锅炉很有可能会被烧坏，甚至导致爆炸等安全事故。

能够影响汽包液位的主要有两大变量，那就是给水量和蒸发量，在其他条件不变的情况下，蒸发量越大，液位越低，而给水量越大则液位越高，反之则反。其中蒸发量是由工业的需要所决定的，而给水的主要作用就是用以维持汽包液位的，所以我们选择给水量作为操纵量对汽包液位进行控制，又因为考虑到系统相应的平稳性和快速性，除采用串级控制外，还将蒸发量引入前馈通道，对系统进行前馈串级控制，其控制系统的结构框图见图2.3所示。

图2.3 汽包液位控制系统结构框图

2.4 炉膛负压控制系统

如果炉膛负压太小，甚至为正，则炉膛内烟气过多，甚至烟气向外冒，影响设备和操作人员的安全；反之，炉膛负压过小，会使冷空气漏进炉膛内，从而是热量损失增加，降低燃烧效率。所以必须对炉膛的压力进行控制。

影响炉膛压力的主要变量有给煤量、给风量以及抽风量等，而其中给煤量和给风量是由蒸汽温度、压力以及蒸发量等因素决定的，所以要想保持炉膛压力在一定范围内保持不变就只有改变抽风量，亦即通过调节抽风量以达到控制炉膛压力的目的。另外，又因为考虑到系统相应的快速性，同时，又因为给风量和给煤量成一定的比例关系，为了提高控制品质以及简化控制系统的结构，我们将且尽将给煤量引入前馈通道参与了炉膛压力的控制。炉膛负压控制系统采用了前馈串级控制，其结构框图见图2.4所示。

图2.4 炉膛负压控制系统结构框图

2.5 报警系统

因为系统的运行并不是100%的，所以难免某些控制变量会超出可控或安全的范围，当出现这类情况时，随时都有可能危及到现场操作人员以及工作设备等的安全，所以必须对这类情况给出相应的报警提示，即必须安装相应的报警系统，用以提示操作人员做出相应的必要操作，在某些可能

出现安全事故的情况下还有用于提示人员疏散等紧急措施。

在本次设计中，我们设计了四个报警系统，即温度报警系统、压力报警系统、液位报警系统和负压控制系统，分别对蒸汽温度、蒸汽压力、汽包液位和炉膛负压进行超限报警提示。在锅炉的控制系统中，系统分别对蒸汽温度、蒸汽压力、汽包液位和炉膛负压设置了上下限值。报警系统就是当相应的实测值低于（或高于）其相应的下限（或上限）值时给出相应的下（上）限报警，这些功能均由软件完成，与此同时，控制系统还会做出相应的反应，使相应的变量值进入相应的极限范围，然后撤销相应的报警提示。

3 具体方案实施

3.1 控制系统的硬件选型 3.1.1 传感器的选型

传感器是一种能将与待测量的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。

(1) 温度传感器

我们经过充分考虑决定选用镍铬—镍硅热电偶。这种热电偶分度号为“K ”。它的正极是镍铬合金，负极为镍硅。温度测量范围为-200—1200℃。其特点是测温范围很宽，热电动势与温度关系近似线性，热电动势大及价格地低。缺点是热电动势的稳定性较B 型或S 型热电偶差，且负极有明显的导磁性。

在使用热电偶进行测温时，只有将冷端的温度恒定，热端电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶的分度表是以冷端温度为零时作出的，因此，在使用时要正确地反映热端温度，必须使冷端温度恒定为零。这样我们就需要进行一些补偿措施。

1) 温法。 2) 补偿导线法。 3) 计算修正法。 4) 电桥补偿法。

其中，电桥补偿法的连接电路如图3.1所示。

图3.1 电桥补偿法连接电路

(2) 流量传感器、压力传感器

我们在进行流量、压力的信号测量时，所使用的流量传感器、压力传感器都统一装在了变送器上，即信号同时在变送器中测知，并且把它变成4~20mA的电信号。 3.1.2 变送器

变送器是将被测工艺参数，通过其传感元件的检测、转换部件的放大和变换，输出一个统一的相应的气压或电流信号，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录和调节使用。

在本次设计中我们主要用到的差压变送器是DDZ —III 型压变送器。它的工作原理是：被测压力信号P1、P2分别引入敏感元件的两侧，敏感元件将其转换成作用与主杠杆下端的输入力F1使主杠杆以轴封膜片为支点而偏转，并以力F 沿水平方向推动矢量机构。矢量机构将推力F 分解成F2和F3，F2使矢量机构的推板向上偏转，并通过连接簧片带动副杠杆以支点M 逆时针偏转，这使固定在副杠杆的差动变压器的衔铁靠近差动变压器，两者之间距离的变化量再通过低落频位移检测放大器转换并放大为4-20mA 直流电流又流过电磁反馈装置的反馈动圈产生的力矩M1、M2达到平衡时，变送器便达到一个新的稳定状态。此时，低频位移检测放大器的输出电流I 反映了所测大小。

3.1.3 常规控制器的控制规律及其选择

一套控制系统主要是由被控对象、执行机构、检测变送器等完成一定任务的元部件构成的，这些元部件各自都有本身的动态和静态特性、控制方案以及干扰的形式和幅值。一般说来，被控对象、执行机构、检测变送器等元部件一旦选定，其特性就被固定下来了，所以，设计的剩下的一项主要任务就是确定控制规律、合理地选择控制器的形式及参数，以得到最佳的控制质量。 3.1.4 变频器

给电动机提供频率可变电源的设备就是变频器，变频器是变频调速系统

的核心部分。变频器与电动机完美的控制构成了性能优良的变频调速系统。对变频器的选型要从容量、输出电压、输出频率、保护构造、U/F（电压/频率）模式、电网→逆变器的切换、瞬停，再启动等方面进行综合考虑，进而选择满足要求的机种、机型。 3.1.5 测速发电机

测速发电机的功能是将机械转速换为相应的电压信号，输出的电压与转速成正比，在自动控制系统中作为检测转速的信号元件等。测速发电机分直流测速发电机和交流测速发电机两类。我们这次用的是交流测速发电机。 3.1.6 计算机控制模块

为了使危险性更小，使烟道中的氧含量降低，满足用户的不同要求等原因，我们在锅炉燃烧控制系统的过程中，将烟道中的含氧量、炉膛温度，空气进量，燃气进量等参数信号送入计算机，在这其中，我们用到了很多的输入，输出模块，并且对它们做出了很高的要求， 从而使系统的可靠性，快速性，安全性等的性能指标得到很大的提高。 3.1.7 控制系统具体选型

具体选型见表3.1和表3.2所示。

表3.1 控制系统选型（一）

续表3.1

表3.2控制系统选型（二）

控单元 显示器 网卡 Hub 端子底座

MCU---ll 冗CPU Pentium Ⅱ以上，64M 内存以上，Cache ：余型 M 型

ET---100以速率为100Mbps 太网卡 ET---HUB 座

模拟量的输入PLC —818H 16路单端输入12位A/D，单通道12位D/A，输出模块 手操模块 电源模块

（2块） HSFM HSFM 193

16位D/lO

人工操作控制输出, 保证系统的可控性 交流供电：220VAC ±30％，50Hz ±1Hz 输出功率：24∨，4A

128KB 中断级：15

PC —123T ∕19″高清晰度 分辨率：800×600

16端口以太网Hub

普通端子底连接现场信号

二次显示仪表 CH —92 可处理八路模拟输入信号自动切换显示 操作台 打印机 工业配线箱 执行器 报警器 氧化锆

2P500

HP1120C 彩色喷墨打印机 PCLK —1050

LKJ 型(环境温度：–25～+55℃） GDAW —2000高、低限报警（由软件设置） OVSE —800 无热电偶，外径25mm ，有效长度820mm

MACS 专用键盘 FB006

3.2 硬件组成

工业锅炉生产过程的生产现场环境恶劣，生产车间噪声、振动都较大，温度较高、各种大功率电气控制柜与电机较多，它们对现场的计算控制设备的性能提出了严格要求，为此，选择价格适中的研华工业PC 计算机，实现生产线的自动检测与控制。系统的硬件组成框图如图3.2所示。图中：温度检测共四路、压力检测共三路、电动执行阀的阀位检测共三路（图3.2未画出）。温度信号通过温度变送器变换，再经PCL-818调理板，变成标准的A/D转换器输入的电信号，由A/D采样卡（所选型号：PCL-813B ，是32通道隔离型的12位A/D输入卡）把数字信号送入工控机。工控机根据这一温度信号与给定温度比较，送入PID 控制算法运算后，得到控制量，将控制量送给D/A输出卡（所选型号：PCL-728，是2通道隔离型的12位D/A输出卡），输出模拟控制信号，D/A转换器输出作为电动调节阀的输入给定，从而控制电动调节阀调节蒸汽流量的大小，实现温度的自动控制。阀位检测信号的变换和处理类同温度检测情况。

锅炉现场

强电后备柜

中控室

图3.2 系统的硬件组成框图

另外，操作控制台通过是32通道隔离型的数字输入卡和输出卡与工控机相连，完成系统的开关按键操作与声光指示功能。